基于融化模型的电热除冰分析及模拟.doc

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1、中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：143603基于融化模型的电热除冰分析及模拟雷桂林，郑梅，朱剑鋆，董威（上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240）(Tel:021-34204410,Email:leiguilin@163.com)摘要：采用数值模拟方法使用融化模型对周期性分区电加热除冰过程进行了研究，分析了结冰状态下NACA0012翼型前缘在周期性分区电加热条件下的温度变化及融冰情况。通过分析冰层与包铁的交界面温度及液体分数的变化，可以观察到冰层的融化、再结冰、再融化的过程，由数值分析得到的结果可知，所采用的融冰

2、方法及融化模型能够较好地实现冰的融化、再结冰、再融化过程的模拟，可作为电热除冰的研究方法之一。关键词：电加热除冰；融化模型；周期性加热；融冰基金项目：国家自然科学基金（No.51076103No.11272212）；2011先进航空发动机协同创新计划资助0前言飞机飞行过程中，常常会遇到低温大气环境，这种低温大气环境往往会使得飞机的一些关键部位产生结冰的情况，而这些关键部位一旦结冰，则会导致飞行器的阻力增加、升力减小、失速速度大大增加以及增加燃油消耗等情况，从而使得飞行器的飞行安全裕度大幅度降低，进而产生一些飞行安全事故。根据美国联邦航

3、空局综合分析，每年因结冰而引发的安全事故就有近几十起，所以，飞行器结冰是安全飞行的一个重大安全隐患，急需加以解决。电加热除冰是研究飞机除冰的一个重要方法。针对飞机除冰问题，国外学者很早就开展了相关研究。W.B.Wright[1]等人通过多种有限差分数值法模拟了电加热除冰平板的二维瞬态热传导，比较了不同方法的准确性，他们的计算结果和试验结果非常接近；R.Henry[2]发展了一种防冰与除冰过程中的二维热传导模型，并把此模型用于被不均匀厚度冰层覆盖的多层平板的数值模拟计算，且其计算结果与实验结果吻合较好；AlanD.Yaslik[3]等人

4、开发了一套三维瞬态传热计算程序，并且使用此程序计算了被冰层覆盖的多层结构三维瞬态传热问题及除冰方法，其热响应及冰脱落的计算值与试验值偏差很小；TheoKeithJ.R.[4]等人使用有限元方法针对机翼的一维与二维电热除冰问题进行了研究，此方法着重研究了曲率对融冰效果的影响；ScottK.Thomas[5]等人研究了三种除冰方法：添加抑制剂降低冰点法、热融法和表面位移法，同时还开发了一种空中结冰模型的建模方法；ThomasReid[6]等人使用耦合传热方法研究了电热防冰/除冰的非稳态传热过程，并且把耦合传热方法应用到FENSAP-ICE

5、软件中计算了多块电加热片周期性除冰的复杂传热现象，其计算结果与冰风洞试验结果吻合的很好。近十几年，国内学者针对除冰问题也进行了许多相关研究。肖春华[7]等人通过实验方法对电热除冰进行了研究，研究了不同加热模式、冷却时间、加热功率和冰脱落等对除冰过程中传热特性的影响；卜雪琴[8]等人研究了机翼热气防冰系统设计，利用热流体系统仿真分析平台Flowmaster和计算流体力学软件Fluent进行联合仿真，对机翼热气防冰系统进行了设计和性能分析；董威[9]等人通过数值方法研究了帽罩在结冰环境下的温度分布、水滴撞击特性等问题；袁慎芳[10]等人利

6、用小波分析对飞机复合材料结构表面结冰的出现及程度进行诊断，并在诊断的基础上，提出利用埋入的形状记忆合金进行除冰，将飞机防冰工作由被动变为主动的设想。采用数值模拟方法对周期性分区电加热除冰过程进行了研究，分析了结冰状态下NACA0012翼型前缘在周期性分区电加热条件下的温度变化情况，同时利用仿真模拟软件Fluent的融化模型分析了冰的融化、再结冰、再融化过程，通过研究冰的融化、再结冰、再融化特性可以为电热除冰研究提供参考。1冰融化模型冰融化过程主要由模型内部能量变化决定的。材料的总焓由显焓和潜热组成，其公式为：(1)式中(2)式中，表示

7、参考焓，表示参考温度，表示定压比热。液相比在融冰分析中是一个非常重要的参数，其表示液体在分析模型中所占的体积分数，的值由模型的温度决定，具体范围由以下公式决定：(3)确定了液相比后，就可以把公式（1）中的潜热表示成材料潜热的一部分：(4)式中表示材料的潜热，具体数值可查阅相关资料。由公式（4）可以看出，潜热值的范围是从0（固体状态）到（液体状态）。于是，对于凝固/融化问题，能量方程可以写成以下形式：(5)式中，为总焓，为密度，为流体速度，为源项。通过把方程（3）中的液相比代入能量方程（5）进行迭代求解就可以得到模型的温度场，但是如果直

8、接使用方程（3）代入能量方程（5）进行迭代的话常常会导致求解不收敛，针对这个问题，VollerV.R.[11]等人发展了一种新的更新液相比的方法，提高了能量方程迭代的收敛性。2电热除冰分析模型常用的电热除冰分析模型如图1